緒論

第1章紅外物理學概述

1.1紅外物理學基礎

1.1.1紅外輻射與紅外光譜

1.1.2紅外物理學研究對像

1.2描述輻射場的基本物理量

1.2.1立體角及其計算

1.2.2輻射能和輻射能密度

1.2.3輻射功率和光譜輻射功率

1.2.4輻射強度和光譜輻射強度

1.2.5輻射出射度和光譜輻射出射度

1.2.6輻射亮度和光譜輻射亮度

1.2.7輻射照度和光譜輻射照度

1.2.8輻射吸收率、輻射反射率和輻射透射率

1.2.9比輻射率和單色比輻射率

1.3描述光度量的基本物理量

1.3.1光譜光視效能和光譜光視效率

1.3.2光通量

1.3.3發光強度

1.3.4光出射度

1.3.5光亮度

1.3.6光照度

本章小結

應用實例

本章習題

第2章紅外輻射的基本規律

2.1漫輻射源和朗伯餘弦定律

2.1.1漫輻射源及朗伯餘弦定律

2.1.2漫輻射源的輻射特性

2.2輻射量的基本規律及計算

2.2.1距離平方反比定律

2.2.2立體角投影定律

2.2.3Talbot定律

2.3輻射量計算舉例

2.3.1圓盤的輻射特性及計算

2.3.2球面的輻射特性及計算

2.3.3點源產生的輻射照度

2.3.4小面源產生的輻射照度

2.3.5擴展源產生的輻射照度

2.4朗伯定律和朗伯比耳定律

2.4.1朗伯定律

2.4.2朗伯比耳定律

本章小結

應用實例

本章習題

第3章紅外輻射的基本定理

3.1發光種類簡介

3.1.1發光類型

3.1.2普雷夫定則

3.2理想黑體

3.2.1基爾霍夫定律

3.2.2封閉空腔中的輻射為黑體的輻射

3.2.3輻射亮度與能量密度的關繫

3.2.4黑體為朗伯輻射體

3.3普朗克公式

3.3.1普朗克公式的推導

3.3.2普朗克公式及其意義

3.3.3普朗克公式的近似

3.3.4用光子數表示的普朗克公式

3.3.5用其他變量表示的普朗克公式

3.3.6廣義普朗克函數

3.4維恩位移定律

3.4.1維恩位移定律推導

3.4.2黑體光譜輻射出射度的峰值

3.4.3光子輻射量的維恩位移定律

3.4.4維恩位移定律的廣義表達式

3.5斯蒂芬玻爾茲曼定律

3.5.1斯蒂芬玻爾茲曼定律推導

3.5.2用光子數表示的斯蒂芬玻爾茲曼定律

3.6黑體輻射的簡易計算

3.6.1黑體輻射函數

3.6.2黑體輻射計算舉例

3.7輻射效率和輻射對比度

3.7.1輻射效率

3.7.2輻射對比度

3.8金屬的輻射

3.8.1金屬的輻射特性

3.8.2金屬的輻射方程

本章小結

應用實例

本章習題

第4章紅外輻射源

4.1紅外輻射的基本定理

4.1.1巴特利特定理

4.1.2薩姆普納定理

4.1.3沃爾什定理

4.1.4亥姆霍茲互易定理

4.2黑體輻射源

4.2.1黑體爐的用途和分類

4.2.2黑體爐的基本結構

4.2.3腔型的選擇和腔芯材料

4.2.4腔體的加熱和溫度控制

4.2.5黑體視場和技術指標

4.3古費理論

4.3.1古費公式的推導

4.3.2三種腔型的有效發射率

4.3.3相關曲線和使用方法

4.3.4對有限制開孔腔體的修正

4.4電熱固體輻射源

4.4.1能斯脫燈

4.4.2硅碳棒

4.4.3鎢絲燈、鎢帶燈和鎢管燈

4.4.4乳白石英加熱管

4.5氣體或蒸汽輻射源

4.5.1放電種類和過程

4.5.2水銀燈

4.5.3氙燈

4.5.4碳弧燈

4.6紅外激光器

4.6.1激光器的基本結構、能級圖和激光的特點

4.6.2Nd:YAG激光器

4.6.3氦氖激光器

4.6.4二氧化碳激光器

4.6.5半導體激光器

本章小結

應用實例

本章習題

第5章紅外輻射在大氣中的傳輸

5.1大氣的組成和大氣分層

5.1.1大氣的組成成分

5.1.2大氣分層

5.2大氣的氣像條件

5.2.1大氣壓強

5.2.2大氣密度

5.3大氣對輻射吸收概述

5.3.1大氣對輻射吸收的機理

5.3.2主要吸收分子和吸收譜線

5.3.3大氣各主要組分的紅外吸收譜

5.3.4大氣紅外窗口

5.3.5吸收帶的經驗公式

5.4水蒸氣對紅外輻射的吸收

5.4.1水蒸氣的基本性質和相關概念

5.4.2可凝結水量

5.4.3水蒸氣的分布

5.5二氧化碳對紅外輻射的吸收

5.5.1二氧化碳的吸收和分布特點

5.5.2二氧化碳的大氣釐米數

5.5.3高度修正因子

5.6臭氧和其他成分對紅外輻射的吸收

5.6.1臭氧的形成和分解

5.6.2臭氧的分布

5.6.3其他成分對紅外輻射的吸收

5.7大氣中的散射粒子

5.7.1散射粒子的尺寸

5.7.2散射粒子的濃度和分布

5.7.3散射的種類

5.8大氣對紅外輻射的散射

5.8.1散射的一般方程

5.8.2瑞利散射、米氏散射和分子散射

5.9氣像視程和視距

5.9.1視程與視距方程

5.9.2測量λ0處視程的原理

5.9.3利用λ0處的視程求任意波長的散射繫數

5.10大氣透射率的計算

5.10.1透射率計算步驟

5.10.2計算透射率實例

5.10.3清潔大氣在寬譜段內的吸收

5.10.4激光在大氣中的透射率

5.11激光在大氣中傳輸的能量衰減

5.11.1衰減繫數

5.11.2單程水平路徑激光大氣傳輸的能量衰減

5.11.3單程垂直路徑激光大氣傳輸的能量衰減

5.11.4單程斜路徑激光大氣傳輸的能量衰減

本章小結

應用實例

本章習題

第6章目標和背景的輻射特性

6.1太陽、月亮以及恆星(行星)的光輻射特性

6.1.1太陽的基本特性

6.1.2太陽的光輻射特性

6.1.3月亮的基本特性

6.1.4恆星(行星)的光輻射特性

6.2天空背景的光輻射特性

6.2.1大氣對太陽輻射的散射

6.2.2大氣自身的熱輻射

6.3地物的光輻射特性

6.3.1植被的光輻射特性

6.3.2水的光譜特性

6.3.3冰雪的光譜反射特性

6.3.4地物的紅外反射特性

6.4海洋的光輻射特性

6.4.1海洋的光譜輻射亮度

6.4.2平靜海面的光譜反射率

6.4.3海平面反射率和發射率

6.4.4不同粗糙度下的反射率

6.5火箭的光輻射特性

6.5.1火箭外殼輻射

6.5.2低空火箭噴焰結構及隨高度變化

6.5.3火箭光譜輻射圖

6.6飛機的光輻射特性

6.6.1渦輪噴氣和渦輪風扇發動機

6.6.2飛機後半球的輻射

6.6.3飛機前半球的輻射

6.6.4發動機輻射強度方向圖

6.6.5第四代戰機簡介

6.7其他目標的光輻射特性

6.7.1坦克的紅外輻射特性

6.7.2火炮的紅外輻射特性

6.7.3紅外誘餌的輻射特性

6.7.4人體的紅外輻射特性

本章小結

應用實例

本章習題

附錄Af(λT)函數表和F(λT)函數表

附錄B熱帶、中緯度夏季和鼕季大氣模型數據

附錄C海平面上水平路程水蒸氣的光譜透射率的數值

附錄D海平面上水平路程CO2的光譜透射率的數值

附錄E距太陽日地平均距離處的太陽光譜輻射照度

附錄F輻照度與截止波長和背景溫度的關繫

參考文獻

《紅外物理學》一書重點講解紅外物理學的基本原理，紅外輻射的基本定理和定律，紅外輻射源，紅外輻射在大氣中傳輸的基本規律，目標與背景的輻射規律等內容。
全書共分6章： 第1章，全面介紹紅外物理學的產生和發展過程，紅外物理學所帶動的相關技術的發展； 第2章，從光的電磁理論出發，著重討論紅外輻射的基本規律； 第3章，講述紅外輻射的基本定理； 第4章，重點講述紅外輻射源的結構和工作原理； 第5章，重點講述紅外輻射在大氣中傳輸的基本規律； 第6章，重點講述目標和背景的紅外輻射特性。本書的教學時長為48學時。
本書前後連貫，邏輯性強，便於學習和記憶。書中圖表豐富，推演過程詳細，便於理解和掌握。書中各節都有要點總結，便於對重點知識的把握。書中各章後面都有小結，並附有與講述內容聯繫緊密並且實用性強的習題，利於學以致用。
本書可作為電子科學與技術、光電子技術科學、安全防範工程以及光學工程專業本科生的專業基礎教材，也可供進行紅外及相關領域學習和研究的師生和科技人員參考。
本書的第1章由宦克為編寫，第2章由王薊編寫，第3章由高蘭蘭編寫，第4章由宋貴纔編寫，第5章和第6章由全薇編寫。宋貴纔統編全稿。碩士研究生孫德昌、黃羽茜參與了本書課件的制作以及書稿的校對工作。
本書共享課程網址為http://www.icourses.cn/sCourse/course_6510.html，讀者可以到此學習。
本書在編寫過程中得到了金光勇和李野老師的大力支持。本書的寫作參閱了一些編著者的著作，在此一並謹向他們表示誠摯的感謝。
由於編者水平有限，書中難免存在一些缺點，殷切期望廣大讀者批評指正。
編者2018年5月

第3章
CHAPTER 3


紅外輻射的基本定理






本章教學目的和要求
（1） 使學生了解發光的種類;
（2） 使學生掌握黑體的概念;
（3） 使學生掌握黑體的輻射規律;
（4） 使學生掌握輻射效率和輻射對比度的概念;
（5） 使學生了解金屬的輻射特性。
本章引言
如果用光譜輻射計來觀察和測量各種輻射源的光譜分布，可明顯地看出，存在兩類完全不同的輻射源。當輻射源是灼熱固體或液體，則光譜分布曲線是連續的，僅有一個值，其波長隨輻射源溫度而變化，這種輻射源稱為熱輻射體。當輻射源是火焰或氣體中的電氣放電，則光譜分布曲線是不連續的，此時輻射能量集中在狹窄的光譜區間。用高分辨率的單色儀觀察可以發現，這些區間十分狹窄，陡峭得像一條線，故這種分布稱為線狀譜。另外，光譜也可以由狹窄的線帶組成，這種情況稱為帶狀譜。具有線狀譜或帶狀譜的輻射源，稱為選擇性輻射體。初看起來，能量集中的所在波長在整個頻譜上的位置似乎是雜亂的。詳細的測量表明： 它們表征了一定類型的輻射原子和分子的特性。因而，這些波長構成了輻射源獨有的特征： 線狀譜是原子的特征，帶狀譜是分子的特征。
紅外繫統設計者可能踫到的一些選擇性輻射體有： 噴氣發動機或火箭排出的熱氣流，再入大氣層物體周圍的激波受激層，以及照明繫統所用的氣體放電源。典型的熱輻射體有： 噴氣發動機或者火箭尾噴管的熱金屬、氣動加熱表面、汽車、人、大地、空間飛行器以及天體。
19世紀後半期，物理學家一直在試圖解釋熱輻射體的光譜能量分布。1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸的過程中發現： 在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收繫數之比，對任何材料都是常數。用一句精練的話表達： 好的吸收體也是好的輻射體。
本章將討論基爾霍夫定律，即物體在熱平衡條件下的輻射規律。接著討論黑體的輻射規律，即普朗克公式、維恩位移定律、斯蒂芬玻爾茲曼定律。後從工程應用角度出發給出輻射效率和輻射對比度的概念，並討論常用的白熾燈材料——金屬的輻射特性和輻射方程。

3.1發光種類簡介
物體的輻射或發光要消耗能量。物體發光消耗的能量一般有兩種，一種是物體本身的能量，另一種是物體從外界吸收的能量。本節將介紹物體發光的種類和反映物體發出能量與它吸收能量之間關繫的普雷夫定則。
3.1.1發光類型
由於能量的供給方式不同，可把發光分為如下不同的類型。
1) 化學發光
在發光過程中，物質內部發生了化學變化，例如腐木的輝光、磷在空氣中漸漸氧化的輝光等，都屬於化學發光。在這種情況下，輻射能的發射與物質成分的變化和物質內能的減少是同時進行的。
2) 光致發光
物體的發光是由預先照射或不斷照射所引起的。在這種情況下，要想維持發光，就必須以光的形式把能量不斷地輸給發光物體，即消耗的能量是由外光源提供的。
3) 電致發光
物體發出的輝光是由電的作用直接引起的。這類常見的輝光是氣體或金屬蒸氣在放電作用下產生的。放電可以有各種形式，例如輝光放電、電弧放電、火花放電等。在這些情況下，輻射所需要的能量是由電能直接轉化而來的。除此之外，用電場加速電子轟擊某些固體材料也可產生輝光，例如變像管、顯像管、熒光屏的發光就屬於這類情況。
4) 熱致發光
物體在一定溫度下發出電磁輻射。顯然，要維持物體發出輻射就必須給物體加熱。熱輻射的性質可由熱力學預測來解釋，且如果理想熱輻射體表面溫度已知，那麼其輻射特性就可以完全確定。一般的鎢絲燈泡發光表面上看似電致發光，其實，鎢絲燈所供給燈絲的電能並不是直接轉化為輻射能，而是首先轉化為熱能，使鎢絲燈的溫度升高，導致發光，因而鎢絲燈的輻射屬於熱輻射。除了在極高溫的情況下，熱輻射通常處於紅外波段，所以紅外輻射也稱為熱輻射。
3.1.2普雷夫定則
普雷夫定則： 在單位時間內，如果兩個物體吸收的能量不同，則它們發射的能量也不同。即在單位時間內，一個物體發出的能量等於它吸收的能量。普雷夫定則小實驗示意圖如圖3.1.1所示。



圖3.1.1普雷夫定則示意圖


圖中a為金屬容器，裡面裝有熱水，容器壁上的陰影部分為塗有黑色金屬氧化物的表面，b為空氣溫度計。圖3.1.1(a)將沒有塗金屬氧化物的側面相對，溫度計刻度上升到一定程度，並以此為參照； 圖3.1.1(b)是將空氣溫度計塗有黑色金屬氧化物的表面轉向金屬容器，氣體溫度計刻度有所上升； 圖3.1.1(c)中將塗有黑色金屬氧化物的容器表面與空氣溫度計相對，此時溫度計的示數也比圖3.1.1(a)有所上升； 圖3.1.1(d)中，將金屬容器和空氣溫度計塗有黑色金屬氧化物的側面相對，此時溫度計的示數。
普雷夫定則說明，在單位時間內，如果兩個物體吸收的能量不同，則它們發射的能量也不同。即在單位時間內，一個物體能夠發出的能量等於它能夠吸收的能量。這是熱力學中的一個定律，是從能量的接收和發射的角度考慮問題的，是能量交換的條件。熱輻射是平衡輻射，是一種能量交換，其他發光都不是。
3.2理想黑體
普雷夫定則定性地說明了吸收能量大的物體發射能量也大，基爾霍夫定律是定量地描述物體吸收熱量和發射熱量之間關繫的定律，它指出了一個好的吸收體必然是一個好的發射體，基爾霍夫定律是輻射傳輸理論的基礎。
3.2.1基爾霍夫定律
基爾霍夫提出用“黑體”這個詞來說明能吸收全部入射輻射能量的物體，按照他的定律，黑體必然是有效的輻射體。因而，黑體是一個比較標準，它是任何其他輻射源可以與之進行比較的有效的輻射體。一個輻射源的比輻射率即是指它的輻射能力與黑體發射能力之比。
從能量守恆角度很容易理解基爾霍夫定律。如果我們將物體A和B放在恆溫容器內，令容器內部為真空，則物體與容器之間及物體與物體之間隻能通過輻射和吸收來交換能量。當繫統達到熱平衡時，所有物體與容器的溫度相等，均為同一溫度T。但是，物體A和B的表面情況不一樣，它們所輻射出去的能量也不一樣。顯然，隻有當輻射能量多的物體吸收能量也多時，纔能和其他物體一樣保持溫度T不變。這就說明,物體的輻射出射度和吸收率之間存在一定的比例關繫。
先給出描述物體發射和吸收特性的兩個物理量。物體的發射本領： 即物體的輻射出射度M，通常寫成MλT，因為M與波長和溫度有關。物體的吸收本領： 即物體的吸收比α，α也與波長和溫度有關，故寫成αλT。
物體的發射本領和吸收本領之間關繫稱為基爾霍夫定律，即

MλTαλT=const=f(λ,T)(3.2.1)

定律說明一個物體的發射本領和吸收本領之比是常數。但必須是一個物體。即物體溫度變化時波長也隨之變化，但二者的比值不變。
如果有三個物體，則

M1λTα1λT=M2λTα2λT=M3λTα3λT(3.2.2)

即所有的物體，它們的發射本領與吸收本領之比都是相同的一個常數(在相同溫度、相同波長條件下)，這個常數就是黑體的發射本領，即黑體的輻射出射度。

C=MbλTαbλT=MbλT1=MbλT(3.2.3)

式中MbλT為黑體的輻射出射度，αbλT為黑體的吸收比(αbλT=1是黑體的定義)。
基爾霍夫定律描述為： 在給定溫度下，對某一波長來說，物體的發射本領和吸收本領的比值與物體本身的性質無關，對於一切物體都是恆量。即MλT/αλT對所有物體都是一個普適函數，即黑體的發射本領。而MλT和αλT兩者中的每一個都隨著物體而不同。基爾霍夫定律的另一種描述是“發射大的物體必吸收大”，或“善於發射的物體必善於吸收”，反之亦然。


圖3.2.1等溫腔內的物體